電站高壓加熱器爆破泄漏原因探討

王興義，冀晉川，李文亮

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

高壓加熱器（以下簡稱“高加”）是電站中所使用的重要壓力容器之一，高加是通過利用來自汽輪機的抽汽對鍋爐給水進行加熱，以提高鍋爐給水出口溫度，提高機組的熱效率。高加按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為管板式和集箱式高壓加熱器，集箱式高壓加熱器常見于較早和較低壓力的機組。隨著火力發(fā)電廠機組向大容量、高參數(shù)發(fā)展，高壓加熱器的工作壓力和溫度相應(yīng)提高，目前大部分在役高加均為固定管板∪型列管式結(jié)構(gòu)，因此本文討論主要針對U型管管板式高壓加熱器。高壓加熱器在高溫高壓運行條件下工作，從設(shè)計、制造到運行、檢修，在其任何一個環(huán)節(jié)考慮不足、處理不當(dāng)均有可能埋下隱患，出現(xiàn)故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞甚至人員傷亡。

1 事故案例

某電廠∪型管式高壓加熱器，工作壓力1.673MPa（殼程） /22 MPa（管程），工作溫度255℃（殼程）/210℃（管程），材質(zhì)15Mo3（汽室）/20MnMoNi55（水室），累計運行約11.5萬h，高加內(nèi)部的一根∪型管由于長期振動磨損減薄開裂，造成大量給水進入筒體，同時，高壓給水沖刷殼側(cè)筒體致使嚴(yán)重減薄，筒體水位淹沒至嚴(yán)重減薄處，給水壓力直接作用于筒壁，筒體塑性變形快速爆破，高加殼側(cè)筒體斷裂，向上沖起，撞傷橫梁。

某電廠∪型管式高壓加熱器，殼側(cè)安全閥長期漏氣，運行人員在未征詢特種設(shè)備管理人員的情況下私自在安全閥后加裝堵閥，對漏氣進行密封。當(dāng)傳熱管發(fā)生泄漏，高加殼側(cè)壓力驟然升高，由于安全排汽管段堵死，殼側(cè)筒體受壓超過其設(shè)計強度，導(dǎo)致殼側(cè)筒體中部縱向開裂約1 100 mm，殼側(cè)筒體整體脹粗、鼓包變形。

某電廠∪型管式高壓加熱器，設(shè)計壓力1.91MPa（殼程） /29 MPa（管程），設(shè)計溫度452℃（殼程）/233℃（管程），材質(zhì)15CrMoR（汽室）/16MoR（水室），該高加因傳熱管泄漏，導(dǎo)致高壓給水將殼體靠近管板側(cè)的材料為15CrMoR的筒體貫穿。筒體損傷部位形狀為一不規(guī)則錐狀穿透型孔洞。

2 高加損壞原因分析

結(jié)合上述典型事故案例，對高加損壞原因分別從以下幾個方面進行探討分析。

2.1 設(shè)計方面

高加內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在問題，管束支撐隔板布置不合理，傳熱管跨度過大，管束和殼體間通道面積太小等，均可能使得汽流速度過高，引起管束振動，超過材料疲勞持久極限或相互磨損變薄，從而導(dǎo)致傳熱管泄漏或斷裂。

設(shè)計的蒸汽冷卻段出口蒸汽剩余過熱度太低，疏水口通道面積過小導(dǎo)致處于飽和狀態(tài)的疏水閃蒸，使得汽流中含有較大直徑水滴，上級高加疏水設(shè)計不當(dāng)使其進入殼內(nèi)形成汽、水兩相介質(zhì)。此外，防沖刷板材料和固定方式不合理，運行中破損或移位，防沖刷板面積不夠大，未起到防沖刷保護作用，均造成傳熱管汽水侵蝕。使用碳鋼傳熱管，抗汽水混合物侵蝕能力較差，設(shè)計結(jié)構(gòu)導(dǎo)致汽流速度過高，都加重汽水侵蝕損傷。

傳熱管管壁厚度設(shè)計取用較薄，使得高壓加熱器使用壽命縮短，后期泄漏較多。位于管束中心位置的∪形管最小彎曲半徑過小，制造中彎管變形量較大，局部管壁拉薄，運行中對管壁沖刷較大，易于損壞。

高加內(nèi)部結(jié)構(gòu)不良存在蒸汽流動不暢的死區(qū)或放空氣系統(tǒng)不完善，導(dǎo)致空氣積聚，造成傳熱管腐蝕。

2.2 制造和檢驗方面

管板基材與堆焊層之間或堆焊層本身層內(nèi)因堆焊質(zhì)量不良等原因存在缺陷，經(jīng)長期承受運行熱應(yīng)力導(dǎo)致缺陷擴展而泄漏。

傳熱管與管板焊接時，焊縫表面熔渣清理不干凈，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，焊縫和熱影響區(qū)存在裂紋、氣孔、夾渣、未熔合的缺陷，導(dǎo)致運行后管口焊縫泄漏。

傳熱管材質(zhì)不合格，彎管成型控制存在偏差，造成管壁厚薄不均，熱處理不當(dāng)，存在較大殘余應(yīng)力。

傳熱管渦流檢測，頻率、相位角、增益等參數(shù)選取不當(dāng)，未能將存在裂紋、折疊、軋折、離層、結(jié)疤、溝槽、氧化皮等缺陷的傳熱管檢出剔除。

管板加工控制不嚴(yán)，管板孔尺寸誤差較大，造成管孔與管子間隙偏大，運行中產(chǎn)出振動摩擦損傷管子。

隔板的管孔鉆孔邊緣不光滑，未清理干凈毛刺，裝配時強力組裝，造成傳熱管拉傷、劃傷。

制造完成后防腐措施不到位，在貯運安裝過程中發(fā)生腐蝕。

2.3 運行方面

運行操作人員技術(shù)水平不高，啟停操作未嚴(yán)格按照運行規(guī)程執(zhí)行，沒有充分暖管，升溫、降溫速度過快，傳熱管和管板之間受熱不均勻，管板與管子連接處受到巨大熱應(yīng)力，使管口脹接、焊縫處損壞開裂并持續(xù)擴展，長期運行后最終導(dǎo)致管系泄漏。

殼側(cè)水位控制不當(dāng)，低水位或無水位運行造成疏水冷卻段汽、水兩相流動，并且流速加大甚至發(fā)生閃蒸，引起管束振動并沖刷侵蝕管束，高水位運行有可能導(dǎo)致疏水到達蒸汽通道口，被高速蒸汽吹散成較大直徑水滴沖刷管束。

給水入口水溫降低，抽汽量增加，殼側(cè)汽流速度大大增加，引起管束振動相互摩擦損壞，并且高速汽流對傳熱管沖刷侵蝕。

高加水側(cè)壓力過高或停用時汽側(cè)閥門關(guān)閉不嚴(yán)使不流動的水側(cè)給水受汽側(cè)漏入蒸汽加熱導(dǎo)致給水溫度升高引起水室超壓，水側(cè)殼體或給水管路上未安裝安全閥或安全閥開啟壓力定值過高超過設(shè)計壓力或未進行校驗，造成水側(cè)超壓時沒有安全閥動作保護導(dǎo)致傳熱管鼓脹變粗損壞甚至開裂。

汽側(cè)殼體安全閥開啟壓力定值過高超過設(shè)計壓力或未進行校驗，傳熱管破裂殼側(cè)壓力升高安全閥未及時動作，造成汽側(cè)筒體損傷。

給水水質(zhì)不合格，含氧量和pH值超標(biāo)，造成傳熱管內(nèi)壁腐蝕，運行中殼側(cè)放空氣管未投運或工作不正常使得空氣排放不完全，高加停用、備用時，高加內(nèi)余水未放盡，造成換熱管外壁氧腐蝕。給水水質(zhì)不合格，結(jié)垢嚴(yán)重，導(dǎo)致傳熱惡化，易發(fā)生垢下腐蝕。

停運檢修時，防腐措施不到位，造成傳熱管、管板等發(fā)生銹蝕。

高加運行中發(fā)生泄漏后，未及時停運，泄漏的高壓給水沖刷損壞漏點附近的傳熱管，擴大了傳熱管損傷范圍。

2.4 檢修方面

傳熱管泄漏堵管時損傷鄰近管口的焊縫和管板。施焊工藝不當(dāng)，焊材選取不合適。焊接的環(huán)境和焊接方法控制不嚴(yán)，或者受高加設(shè)計結(jié)構(gòu)空間位置和機加工焊接方位限制，機加工和焊接質(zhì)量無法保證，焊縫出現(xiàn)未焊透、氣孔、夾雜等各種缺陷，焊接后應(yīng)力沒能徹底消除，焊接管塞密封焊表面在介質(zhì)、溫度和沖蝕的共同作用下，焊口熔敷層開裂，造成封堵的管束投運后，再次發(fā)生泄漏。

傳熱管泄漏堵管時缺乏經(jīng)驗，只堵泄漏的管子，附近受到損傷的管子在運行中進一步加劇損傷，最終發(fā)生泄漏[1]。

3 高加設(shè)計改進和事故預(yù)防及處理措施

針對上面提到的各種問題，應(yīng)采取相應(yīng)措施以減少和應(yīng)對高加損壞事故的發(fā)生。

3.1 設(shè)計改進措施

設(shè)計應(yīng)充分考慮在高壓運行中過渡工況和異常工況下的情況。

a）傳熱管壁厚取用適當(dāng)并考慮合理的腐蝕余量，避免取用壁厚偏薄的高加，縮短使用壽命。

b）管束彎曲半徑不宜過小，避免工藝減薄過多及介質(zhì)沖刷加劇，減小加工應(yīng)力，避免應(yīng)力腐蝕。

c）要限制支撐隔板間距，減小管束自由段長度。

d）管束和殼體間通道面積不能太小，管束自身管子間距也要足夠大，以降低汽側(cè)流速和減少管子與筒壁或管子之間相互碰撞摩擦損壞的可能性。

e）在蒸汽及疏水入口處要設(shè)計防沖刷擋板，其材料選用要考慮耐沖刷腐蝕和有足夠的強度承受大的沖擊力，防沖刷板面積要足夠大，并同時考慮在超負(fù)荷運行工況下，應(yīng)有更大的覆蓋面積。

f）防沖刷板要采取牢固的固定方式，不能只用點焊方式，防止開裂脫落。

g）疏水通道面積要足夠大并考慮在疏水處設(shè)置擴容室以避免發(fā)生閃蒸。

h）限制殼側(cè)蒸汽或疏水的流速，防止由蒸汽冷卻段處來的蒸汽進入凝結(jié)段時出現(xiàn)高流速區(qū)域，避免振動和沖蝕損傷。

i）要設(shè)計完善的放空氣系統(tǒng)，保證高加啟動時水室、汽室的積存空氣排放和連續(xù)運行中不凝結(jié)氣體的排放，避免機構(gòu)中的死角造成空氣積聚。

j）汽水兩側(cè)均應(yīng)設(shè)置安全閥，并有足夠的流通直徑，保證超壓時及時排放。

k）蒸汽冷卻段出口蒸汽要有足夠的剩余過熱度。

l）水室結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮到堵管要求，為檢修人員提供較大空間，便于堵管對管板表面進行機加工、清理、焊接。

3.2 生產(chǎn)制造注意事項

a）彎管應(yīng)采用正確的工藝，并去除加工應(yīng)力，減小應(yīng)力腐蝕的可能性。

b）管子質(zhì)量要嚴(yán)格把關(guān)，加強監(jiān)督檢驗，防止將存在缺陷和熱處理不合格的管子裝入高加，給以后的運行埋下隱患。

c）支撐隔板管孔加工要控制加工精度，避免開孔過大導(dǎo)致管束振動。

d）支撐隔板管孔在鉆孔后應(yīng)兩面都倒角，并清理除去毛刺，以避免裝配過程中劃傷管子。

e）裝配時嚴(yán)禁強力組裝，防止拉傷、劃傷管子。

f）高加出廠時要做好防腐措施，以避免貯運過程中腐蝕的發(fā)生。

3.3 運行注意事項

a）運行應(yīng)嚴(yán)格按照運行規(guī)程的規(guī)定，在高加投入和切出時控制溫度變化率，避免熱沖擊，減小熱應(yīng)力，機組負(fù)荷應(yīng)緩慢平穩(wěn)地增加或降低，避免各金屬部件產(chǎn)生過大熱差及應(yīng)力，引起傳熱管局部疲勞受損。

b）做好殼側(cè)水位控制，水位保護及水位計投入正常，避免水位控制誤差，造成低水位和無水位運行，減少疏水冷卻段內(nèi)出現(xiàn)閃蒸和汽水兩相流動的可能性，倒立式高加還應(yīng)防止水位過高淹沒蒸汽冷卻段出口而降低蒸汽冷卻段出口的剩余過熱度，以上措施均可避免管束的振動損壞和沖刷侵蝕。

c）控制疏水調(diào)節(jié)閥的開度，防止開度過大導(dǎo)致汽流速度過大在疏水冷卻段內(nèi)引起閃蒸。

d）高加的熱力參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計范圍控制，以避免流速過高激發(fā)管束振動。

e）嚴(yán)格控制給水品質(zhì)，防止給水含氧量和pH值不合格發(fā)生入口管端侵蝕和傳熱管內(nèi)壁腐蝕。

f）保證放空氣系統(tǒng)正常工作，保持管路通暢，并對積存空氣和不凝結(jié)氣體進行排放。

g）在運行狀態(tài)下要對高加實施年度檢驗，安全附件、測量調(diào)控裝置，附屬儀器儀表應(yīng)進行日常維護保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時處理。

h）應(yīng)按照《壓力容器定期檢驗規(guī)則》的要求，定期停運進行全面檢驗，并檢查疏水、空氣管路易沖刷減薄處（例如彎頭）的壁厚，當(dāng)減薄嚴(yán)重不滿足強度要求時應(yīng)及時更換。

i）汽室、水室安全閥是高加發(fā)生超壓危險時的最后一道安全保障措施，因此要定期校驗合格。安全閥的整定壓力設(shè)置正確，一般不大于高加的設(shè)計壓力，設(shè)計圖紙和銘牌上標(biāo)有最高允許工作壓力的，也可以采用最高允許工作壓力確定安全閥的整定壓力。

j）安全閥排放管路要保持通暢，不宜安裝截止閥門，不得妨礙安全閥的安全泄放。

k）高加停用切斷汽源、水源時應(yīng)保證閥門關(guān)嚴(yán)，以避免漏入蒸汽加熱不流動給水造成膨脹超壓，或者抽汽消失后流動給水快速冷卻，在管板—管子處產(chǎn)生過大熱應(yīng)力。

l）停用時應(yīng)根據(jù)停用時間的長短，分別采用相應(yīng)的防腐措施。

m）運行中一旦發(fā)現(xiàn)管束泄漏現(xiàn)象，即使還輕微，也應(yīng)立即停用從系統(tǒng)中切出高加，避免繼發(fā)性沖蝕損壞，對于泄漏的原因應(yīng)認(rèn)真分析采取相應(yīng)的改進措施，防止同樣原因的事故再次發(fā)生。

3.4 泄漏爆破處理措施

發(fā)生高加事故后應(yīng)認(rèn)真檢查損傷情況，采用渦流探傷[2]和超聲導(dǎo)波檢測方法對高加換熱管及筒體損傷情況進行認(rèn)真檢查，確定損傷部位、范圍、及損傷程度，根據(jù)泄漏形式和部位，采取相應(yīng)的處理措施。

a）換熱管或換熱管—管板連接處泄漏，采用堵管處理。換熱管本身泄漏要查清換熱管泄漏對漏點附近管子的損傷情況，將泄漏管及鄰近沖蝕的管子均進行堵管處理，避免發(fā)生二次沖蝕泄漏，換熱管—管板連接處泄漏要將原有裂紋或沖蝕處完全清除，去除端部原管子材料及焊縫金屬，無論何種堵管方式，被堵管端部必須經(jīng)過良好處理，管孔和管板孔均圓整、清潔，使堵頭與管板緊密接觸。

b）如高加汽室筒體被小范圍內(nèi)沖刷減薄或貫穿，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，不能貼補，不宜補焊，可以考慮用開孔將損傷減薄部位清除后加裝盲管[3]。對于接管的形式、壁厚取用、開孔補強、管材和焊材的選取要充分考慮，認(rèn)真計算。

c）如發(fā)生傳熱管損壞斷裂、殼側(cè)進入異物、防沖刷板損壞脫落以及汽室殼體損壞程度不明，需檢修殼體內(nèi)部或更換管系時，可按高加設(shè)計圖紙規(guī)定的切割線位置割開高加汽室殼體，把管子抽出或把殼體退出。

d）如果高加汽室筒體損壞較嚴(yán)重，對于筒體損傷情況應(yīng)進行評定，如傳熱管完好，可考慮更換筒節(jié)，根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，重大維修應(yīng)當(dāng)經(jīng)過原設(shè)計單位或者具備相應(yīng)資格設(shè)計單位同意。

施工過程必須經(jīng)過具有相應(yīng)資格的特種設(shè)備檢驗檢測機構(gòu)進行監(jiān)督檢驗，未經(jīng)監(jiān)督檢驗合格的高壓加熱器不得投入使用。

4 結(jié)束語

高加如果發(fā)生泄漏爆破從系統(tǒng)中退出，除了威脅機組的安全運行，還會因此使得給水只能通過旁路進入鍋爐，大大降低進入鍋爐的給水溫度，從而增加燃料能耗，導(dǎo)致機組負(fù)荷下降，增加發(fā)電成本。因此，需要通過對高加失效原因進行認(rèn)真分析，采取相應(yīng)的應(yīng)對措施，以提高高壓加熱器投入率，保障系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟運行。

［1］ 劉文柱，劉琰，肖鎮(zhèn).高壓加熱器泄漏原因分析及改進措施［J］.熱力發(fā)電，2006（07）：48-49.

［2］ 董勇軍，陸軍，郭勇峰.高壓給水加熱器換熱管束的渦流檢驗對策［J］.山西電力，2004（4）：61-63.

［3］ 鄭敏，黃純德，栗縣民.火電廠高壓給水加熱器筒體泄漏的修復(fù)［J］.山西電力，2006（4）：31-33.